细胞生物学-10线粒体

线粒体,黄辰生物医学基础研究中心遗传学与分子生物学细胞生物学线粒体,线粒体研究历史,1890年R.Altaman首次发现，命名为bioblast。1898年vonBenda提出mitochondrion。1900年L.Michaelis用JanusGreenB染色，发现线粒体具有氧化作用。Green（1948）证实线粒体含所有三羧酸循环的酶，Kennedy和Lehninger（1949）发现脂肪酸氧化为CO2的过程是在线粒体内完成的。,细胞生物学线粒体,线粒体（mitochondria)是一个由两层单位膜包围的含有100多种酶类的细胞器，它是细胞进行生物氧化和能量转换的主要埸所。一、结构（一）形态与分布线粒体一般呈粒状或杆状，但因生物种类和生理状态而异，可呈环形，哑铃形、线状、分杈状或其它形状。一般直径0.51m，长1.53.0m，在胰脏外分泌细胞中可长达1020m，称巨线粒体。数目一般数百到数千个。,细胞生物学线粒体,（二）亚微结构1.外膜(outermembrane)2.内膜(innermembrane)膜间腔(intermembranespace)嵴(cristae)嵴间腔(intercristaespace)基粒(elementareyparticle）基粒分头、柄、基片三部分，头部突入内腔,基片嵌于内膜，柄部将头部和基片相联。基粒是氧化磷酸化场所，能将ADP磷酸化生成ATP。,细胞生物学线粒体,二、线粒体的功能：糖酵解：在细胞质中，脂肪和葡萄糖降解生成丙酮酸进入线粒体基质。三羧酸循环：在线粒体基质中,在丙酮脱氢酶体系作用下，丙酮酸进一步分解为乙酰辅酶A，NAD+作为受氢体被还原。丙酮酸+辅酶A+2NAD+2乙酰辅酶A+CO2+2NADH+2H+乙酰辅酶A与草酰乙酸结合生成柠檬酸，三羧酸循环开始。总反应式：2乙酰辅酶A+6NAD+2FAD+2ADP+2Pi+6H2O4CO2+6NADH+6H+2FADH2+2辅酶A+2ATP,细胞生物学线粒体,细胞生物学线粒体,3.电子传递和氧化磷酸化一分子葡萄糖经无氧氧化，丙酮酸脱氢和TAC循环共产生6分子CO2和12对H，这些H必须进一步氧化成为水,整个有氧氧化过程才能完成。但H并不能与O2直接结合,一般认为H必需首先离解为H+和e-,电子经过线粒体内膜上酶体系的逐级传递最终使1/2O2成为O-，后者再与基质中的2个H+化合生成H2O。这一传递电子的酶体系是一系列能够可逆地接受和释放H+和e-的化学物质所组成，它们在内膜上有序地排列成相互关联的链状称为呼吸链。氧化磷酸化：经糖酵解和三羧酸循环产生的NADH和FADH2是两种还原性的电子载体，它们所携带的电子经线粒体内膜上的呼吸链逐级传递给O2并将H+从线粒体基质泵入膜间隙，这在膜间隙和基质间产生了H+质梯度，当H+通过ATP合成酶装置进入基质时，可使ADP分子与磷酸基团合成ATP。,细胞生物学线粒体,电子呼吸链的组成主要包括：黄素蛋白、细胞色素、铜原子、铁硫蛋白、辅酶Q等。黄素蛋白含FMN（图7-4）或FAD的蛋白质，每个FMN或FAD可接受2个电子2个质子。呼吸链上具有FMN为辅基的NADH脱氢酶，以FAD为辅基的琥珀酸脱氢酶。,细胞生物学线粒体,细胞色素：分子中含有血红素铁（图7-5），以共价形式与蛋白结合，通Fe3+、Fe2+形式变化传递电子，呼吸链中有5类，即：细胞色素a、a3、b、c、c1，其中a、a3含有铜原子。,细胞生物学线粒体,铁硫蛋白：在其分子结构中每个铁原子和4个硫原子结合，通过Fe2+、Fe3+互变进行电子传递，有2Fe-2S和4Fe-4S两种类型。,细胞生物学线粒体,辅酶Q：是脂溶性小分子量的醌类化合物，通过氧化和还原传递电子。有3种氧化还原形式即氧化型醌Q，还原型氢醌（QH2）和介于两者之者的自由基半醌（QH）。,呼吸链的复合物呼吸链组分按氧化还原电位由低向高的方向排列，电子逐级传递、能量逐渐释放。呼吸链的复合物包括复合物I、I和IV，辅酶Q和细胞色素C不属于任何一种复合物。辅酶Q溶于内膜、细胞色素C位于线粒体内膜的C侧，属于膜的外周蛋白。,细胞生物学线粒体,复合物I含有一个FMN和至少6个铁硫蛋白，分子量接近1MD，以二聚体形式存在，其作用是催化NHDH的2个电子传递至辅酶Q，同时将4个质子由线粒体基质（M侧）转移至膜间隙（C侧）。电子传递的方向为：NHDHFMNFe-SQ，总的反应结果为：NADH+5H+M+QNAD+QH2+4H+C复合物为琥珀酸脱氢酶，至少由4条肽链组成，含有一个FAD，2个铁硫蛋白，其作用是催化电子从琥珀酸转至辅酶Q，但不转移质子。电子传递的方向为：琥珀酸FADFe-SQ。,细胞生物学线粒体,复合物I含有一个FMN和至少6个铁硫蛋白，分子量接近1MD，以二聚体形式存在，其作用是催化NHDH的2个电子传递至辅酶Q，同时将4个质子由线粒体基质（M侧）转移至膜间隙（C侧）。电子传递的方向为：NHDHFMNFe-SQ，总的反应结果为：NADH+5H+M+QNAD+QH2+4H+C复合物为琥珀酸脱氢酶，至少由4条肽链组成，含有一个FAD，2个铁硫蛋白，其作用是催化电子从琥珀酸转至辅酶Q，但不转移质子。电子传递的方向为：琥珀酸FADFe-SQ。,细胞生物学线粒体,复合物即细胞色素c还原酶，由至少11条不同肽链组成，以二聚体形式存在，每个单体包含两个细胞色素b（b562、b566）、一个细胞色素c1和一个铁硫蛋白。其作用是催化电子从辅酶Q传给细胞色素c，每转移一对电子，同时将4个质子由线粒体基质泵至膜间隙。总的反应结果：2氧化态cytc1+QH2+2H+M2氧化态cytc1+Q+4H+C复合物IV为即细胞色素c氧化酶，其作用是将从细胞色素c接受的电子传给氧，每转移一对电子，在基质侧消耗2个质子，同时转移2个质子至膜间隙。每个单体由至少13条不同的肽链组成，两个血红素（a1、a3）和一个铜离子(CuB)，血红素a3和CuB形成双核的Fe-Cu中心。电子传递的路线为：cytcCuAhemeaa3-CuBO2，总的反应结果为：4还原态cytc+8H+M+O24氧化态cytc+4H+C+2H2O,细胞生物学线粒体,细胞生物学线粒体,细胞生物学线粒体,氧化磷酸化的作用机理质子动力势MitchellP.1961提出“化学渗透假说(ChemiosmoticHypothesis)”，70年代关于化学渗透假说取得大量实验结果的支持，成为一种较为流行的假说。,细胞生物学线粒体,ATP合酶的结构和作用机理ATP合酶（ATPsynthetase）分子量为500KD，状如蘑菇。分为球形的F1（头部）和嵌入膜中的F0（基部），它可以利用质子动力势合成ATP，也可以水解ATP，转运质子，属于F型质子泵。F1由5种多肽组成33复合体，具有三个ATP合成的催化位点（每个亚基具有一个）。和单位交替排列，状如桔瓣。贯穿复合体（相当于发电机的转子），并与F0接触，帮助与F0结合。与F0的两个b亚基形成固定复合体的结构。,细胞生物学线粒体,细胞生物学线粒体,三、线粒体的半自主性线粒体在形态、染色反应、化学组成、物理性质和活动状态上，都很象细菌。1963年M.&S.Nass发现线粒体DNA，后来又发现了RNA、DNA聚合酶、RNA聚合酶、tRNA、核糖体、氨基酸活化酶等进行DNA复制、转录和翻译的全套装备。但其遗传体系具有和细菌相似的特征如：1.DNA为环形分子；2.70S型核糖体；3.RNA聚合酶被溴化乙锭抑制不被放线菌素D所抑制；4.tRNA、氨酰基-tRNA合成酶不同于细胞质中的；5.蛋白质合成的起始氨酰基tRNA是N-甲酰甲硫氨酰tRNA，对细菌蛋白质合成抑制剂氯霉素敏感对细胞质蛋白合成抑制剂放线菌酮不敏感。,细胞生物学线粒体,6.哺乳动物mtDNA的遗传密码与通用的遗传密码有以下区别：1)UGA不是终止信号，而是色氨酸的密码；2)多肽内部的甲硫氨酸由AUG和AUA两个密码子编码；起始甲硫氨酸由AUG,AUA,AUU和AUC四个密码子编码；3)AGA,AGG不是精氨酸的密码子，而是终止密码子，线粒体密码系统中有4个终止密码子（UAA,UAG,AGA,AGG）。四、线粒体的增殖线粒体的增殖是通过已有的线粒体的分裂，有以下几种形式：1、间壁分离（图7-14），分裂时先由内膜向中心皱褶，将线粒体分类两个，常见于鼠肝和植物产生组织中。,细胞生物学线粒体,2、收缩后分离，分裂时通过线粒体中部缢缩并向两端不断拉长然后分裂为两个，见于蕨类和酵母线粒体中。3、出芽，见于酵母和藓类植物，线粒体出现小芽，脱落后长大，发育为线粒体。,细胞生物学线粒体,六、线粒体蛋白质的转运大量线粒体蛋白质是在细胞质中合成的。这些蛋白质在在运输以前，以未折叠的前体形式存在，与之结合的分子伴娘（属hsp70家族）和与信号肽结合的蛋白质保持前体蛋白质处于非折叠状态，前体蛋白质N端有一段信号序列称为导肽或引肽（Leadersequence），完成转运后被信号肽酶（signalpeptidase）切除，就成为成熟蛋白，这种现象就叫做后转译（posttranslation，图7-22）。,细胞生物学线粒体,细胞生物学线粒体,信号肽的特点是：信号肽形成一个两性螺旋，带正电荷的氨基酸残基和不带电荷的疏水氨基酸残基分别位于螺旋的两侧。蛋白质的转运涉及多种蛋白复合体转位因子（translocator）,细胞生物学线粒体,TOM复合体：负责通过外膜，进入膜间隙TIM复合体：包括TIM23和TIM22复合体，负责通过内膜，TOM和TIM复合体均包括接受蛋白质的受体和供蛋白质通过的通道。TIM23负责将蛋白质转运到基质；TIM22负责蛋白质插入内膜。OXA复合体：负责将线粒体自身合成的蛋白质插到内膜上。同样也可以帮助进入基质的蛋白质插入内膜。蛋白质的输入是一个耗能的过程，能量的来源为水解ATP和利用质子动力势。在线粒体外解除与前体蛋白质结合的分子伴娘，需要通过水解ATP获得能量。在通过TIM复合体进入基质时利用质子动力势作为动力。前体蛋白进入线粒体基质后，线粒体hsp70一个接一个的结合在蛋白质线性分子上，像齿轮一样将蛋白质“铰进（handoverhand）”基质，这一过程也需要消耗ATP。然后线粒体hsp70将蛋白质交给hsp60，完成折叠。,细胞生物学线粒体,进入线粒体内膜和膜间隙的蛋白质需要有两个信号肽。